铝和碳纤维增强聚合物片材的两步紧固【中文8873字】
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铝和碳纤维增强聚合物片材的两步紧固【中文8873字】,以及,碳纤维,增强,聚合物,紧固,中文
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【中文8873字】铝和碳纤维增强聚合物片材的两步紧固FRANCESCOLAMBIASE，DAECHEOLKO意大利意大利拉奎拉大学工业与信息工程与经济系67100（AQ），意大利那不勒斯那不勒斯大学费德里科二世，CIRTIBS研究中心，PLETECCHIO80,80125韩国釜山釜山大学聚合科学研究生院，46241文章历史2016年10月27日收到2016年12月12日修订2016年12月27日接受2016年12月28日在线提供关键词连接金属压紧CFRP混合接头复合材料本文调查了两步铆接连接铝和碳纤维增强聚合物（CFRP）的有效性。为此，通过与分裂模具结合加入后涉及不同的重塑工具。重塑力量也各不相同。对简单的铆接和重塑样品进行单圈剪切试验以确定工艺条件对接头机械性能的影响。分析接头的形态和几何形状，以了解改型步骤如何影响接头的主要质量标准和CFRP板上产生的损伤。根据实验结果，拔出简单的连接失败因此，关键参数是底切。重塑的方法，使用优化的工具可以将关节的强度提高32。这种改善是由于物料流动较高和改善造成的底切增加。这些关节中可能出现的主要缺陷以及其原因已经确定。1简介混合金属复合结构越来越多地应用于包括运输行业，民用基础设施和建筑在内的多个领域，因为它们能够大大降低产品重量，节省燃料，降低惯性（从而提高性能）。汽车行业正在投入大量精力来复制使用混合金属复合材料底盘的好处。近年来，这种底盘正在应用于众多大规模生产车辆，包括阿尔法罗密欧4C，宝马7系和雪佛兰科尔维特Z06。混合金属复合结构也被广泛应用于不同范围的土木工程中增强桥梁结构1，增加铝梁的弯曲刚度2，修复和加强结构部件3，甚至防止火灾和热绝缘轻质结构材料4。由于这些材料的巨大差异，加入这些材料仍然是一个具有挑战性的问题，它通常是通过粘接和机械连接工艺制成的。与粘合剂粘合剂相比，机械粘合剂通常可以确保较高的静态和动态负载能力此外，这些接头在更短的时间内完成，因为它们不需要大量的表面处理（包括蚀刻，研磨和脱脂），对环境友好（由于低能量要求，低噪音和烟雾排放），而且不需要需要固化时间。但是，机械连接过程通常需要对片材进行预先钻孔，这可能会损坏复合材料，导致光纤中断并产生应力集中。尽管与粘合剂粘合相比，它们需要更短的时间，但机械连接过程涉及人工步骤，例如预先钻孔和随后插入额外的连接元件，并且需要额外的材料（铆钉，螺栓等），这会增加生产时间，成本和结构重量。尽管有机械接头，但粘合剂粘合能够确保复合材料部件的完整性（不会产生光纤中断），并且由于没有孔洞，负载分布更均匀5。在这种情况下，应力在宽度方向上几乎是均匀的，而沿着键合长度遵循“U”形分布6。在这些关节中，脱粘通常在其中一个结合肢或其附近起始7。耦合机械连接和粘合剂粘合导致混合连接表现出有趣的改进，因为它汇集了这两种连接技术的优点。由于在使用寿命期间产生的应力集中较低，混合连接已被证明可以提高静态强度和疲劳强度9。由于各种机械连接过程，不同的机械连接可以与粘接结合，包括螺栓连接8，铆接10，激光铆接和自冲铆钉11。由于混合结构用于批量生产的需求日益增加，因此需要更快的连接过程。已经开发了许多新的工艺来加入纤维增强热塑性塑料摩擦点连接12，摩擦搭接焊接13，超声波焊接14和激光辅助直接连接15。这些工艺在复合材料的热塑性基体和金属表面之间产生机械和化学粘合。此外，先进的热成型工艺，通过使复合材料塑性变形而在部件之间产生机械联锁，也适用于此目的。热成型工艺包括基于摩擦的堆积16，红外堆积17，摩擦铆接18和流动钻井19。尽管如此，这些工艺不适合用热固性基体连接复合材料，因为它们会导致聚合物的热降解以及纤维和基体的机械损伤，纤维的撕裂以及复合材料的脱落。另一方面，快速机械连接过程如夹紧2026和自冲铆接2729能够克服上述某些问题。事实上，尽管采用了铆钉和螺栓的通用机械连接方法，但这两种方法都不需要在被连接的板材上预先钻孔30,31。另外，由于不需要外部连接元件，因此可以增加成本并增加结构重量，因此可以获得额外的优势。机械咬合包括形成一个咬合两个或多个薄片的底切。底切是通过使用冲头和模具进行塑性变形而产生的。CLINCHING最初被开发用于连接包括高强度钢和铝合金的金属板。然后，它已经扩展到加入先进金属（镁和钛合金）以及热塑性聚合物32，木材33以及含有热塑性基体和短纤维的纤维增强聚合物（FRP）34和长纤维热固性基质35。夹紧工具的正确设计旨在增加主要接头质量参数（底切和颈部厚度），而不会损坏片材36。复合材料的机械咬合引起了进一步的担忧，因为复合材料的分层应该也是有限的或可能避免的。因此，已经提出了特定的配置，例如开孔夹紧37，其中包括复合材料的初步钻孔。然而，钻孔引起进一步的担忧，如较长的加工时间（由于预钻操作）以及冲头和孔之间的偏心38。此外，在打孔过程中，冲压侧板材受到较高的撕裂应力，这可能会损害板材对成形性差的材料的完整性39。如上所述，铆接接头的机械性能取决于取决于材料流动的几何特征（底切和颈部厚度）。因此，为了提高这些接头的强度，不同的方法可能适用，包括工具组的优化，以及开发两步骤紧固件，涉及紧固后的重塑步骤。最初提出后一种方法是为了减小突起高度（从而改善这种关节的美学特征）40。但是，进一步的研究表明，两步铆接还可以提高铝板上制成的铆接接头的机械强度41。这是由于颈部厚度增加和下陷24。到目前为止，在材料流动，复合材料损伤，特性尺寸和强度方面，已经进行了任何研究，以确定重塑成型步骤对金属与复合板的连接的影响。目前的调查分析了基于机械铆接后的再成形变形的两步铆接，作为改善混合金属复合材料接头上铆接连接力学行为的一种方法。特别是铝合金系列AA6XXX和长纤维碳纤维增强聚碳酸酯（CFRP）片材和热固性基体通过铆接连接在一起。测试了不同类型的重塑工具和连接力值，以确定最佳工艺窗口。进行基于单个搭接剪切测试的机械测试以表征接头的机械性能并验证重塑方法的有效性。此外，进行了形态分析，以了解重塑步骤如何影响力学行为，主要关节尺寸和CFRP板上的损伤。2材料和方法21材料在这项研究中使用30毫米厚的铝合金AA6024轧制板。这是一种可沉淀硬化的铝合金，以SI和MG为主要合金元素。铝的化学组成通过X射线荧光光谱仪测定。表1中报告了合金的主要化学元素。铝板与厚度为14MM的CFRP板结合。CFRP层压板使用平纹组织（SKCHEMICAL，UGN200）制造。碳纤维预浸料（MRCPYROFILTM，TR30S）和热固性环氧树脂（双酚A型环氧树脂苯酚酚醛环氧树脂）在130下固化2小时。在施加压力之前，层片的预浸料坯的初始厚度为03MM。如表2所示，最终的树脂含量估计约为53。39中报道了CFRP板的机械性能和制造程序。表2和表3报告了CFRP的主要特性和机械性能。22紧固设备通过由JURADOSRL（意大利RIVOTORTO（佩鲁贾）提供的便携式模型化蟒机器进行夹紧测试。在这次调查中，第一步中使用的紧固配置保持不变。如图1（A）所示，在这个步骤（机械铆接）中，使用了三个扇形的分模，模具砧座深度H11MM，初始直径D52MM。分割模具优于固定（开槽）模具，因为它通常会产生较大的底切和较低的成形力，并且它能够更容易地从模腔中提取复合碎屑42。第一步的工具套件还包括一个锥角为6，直径D4MM和圆角半径为02MM的冲头。在执行第一次连接步骤后，钳工工具被取消，并执行第二步。在第二步（重塑）中，冲头的高度是变化的，以便产生不同的冲模腔几何形状（重塑深度，RD）。这是通过改变可调节环的高度HR来完成的，如图1（B）所示。该研究还调查了第二步中整形力的影响，其在第一步中的成形力保持不变（FJ288KN）的情况下在两个水平上变化FJ205KN和FJ288KN。这些值是根据初步测试结果和夹机的最大可用力选择的。实验计划总结在表4中。在所有的测试中，铝都放在冲头一侧。表1铝合金的化学成分成分MGSIMNAL含量0330960879662表2CFRP的制造条件织物类型层压板厚度MM层数纤维体积分数铺层角度PLAINWEAVE3K1475330450表3CFRP和AA6082T6合金的力学性能材料弹性模量GPA屈服强度,R02MPA极限拉伸强度HMPA流动应力MPA承载强度MPAILSSMPAAA602469282380RP459E0088CFRP17539627366191图1（A）第一步和（B）第二步采用的钳工工具示意图表4实验计划样品重塑深度,RDMM重塑力E,FJKNNONORESHAPEP20RD22205P28RD22288P20RD11205P28RD21288P20RD0505205P28RD050528823关节的机械特性通过单圈剪切试验评估接头的机械性能。为此，在准静态条件下（恒定的十字头速度1MM/MIN）使用MTS的通用测试机模式32231，使用25KN满刻度。图2A中报道了几何形状和试样尺寸。对于每个连接条件，进行5次重复，并计算最终搭接剪切力FR（在剪切试验过程中记录的最大载荷）和吸收能W的平均值和标准偏差，计算得出的载荷位移曲线下的面积剪切测试。为了检查单个搭接剪切试验过程中整个CFRP板上接头的变形和裂纹扩展情况，采用了双半接头试样（II型），如图2B所示。该样品由两半接头（在通过铆接连接后分段）构成。在生产这些样品时，为了产生平行于加载方向的横截面以及通过接头中心（C1和C2）的垂直于加载方向的线LC1C2，非常小心，如图中所示2B。为了确保这些测试的可复制性，对II型样本进行了三次重复。这种形状限制了剪切试验期间试样在接头周围的旋转。因此，剪切测试过程中的横截面演变使用NIKON的16位DSL相机型号D5200以60004000分辨率由ZEISS安装在立体显微镜型号STEMIDV4上记录。图2用于表征测试的样品示意图（A）单个搭接剪切测试和（B）用于分析横截面材料流动的“两半”样品。24关节形态分析为了研究上述工艺参数的影响，特别是关于接头和重塑接头之间的差异，对所有样品的横截面进行了分析。通过带金刚石刀片的低速锯在中间切割接头。因此通过LEICAMICROSYSTEMS的光学金相显微镜模型DM5000和上述立体镜在反射光下分析横截面。对于每个工具组，测量图3中描绘的主要几何参数，即底切，颈部厚度TN和凸起高度H3结果与讨论31关节的几何形状在图4中报告了由单步铆接（不成形）和两步铆接制成的铆接接头的横截面。接头的横截面显示出一定的不对称性（左侧不同的底切和颈部厚度值和关节的右侧）。这是由于CFRP板材的高刚度和各向异性导致铝材料朝向阻力较小的方向（纤维层之间）。为此，分析了每个加工条件的五个横截面。图3铝/CFRP铆接接头的主要几何特征从图4可以看出，无论接合条件如何，在颈部铝板上都不出现裂纹。比较“两步”关节和非重塑关节的横截面，可以认识到一些差异。事实上，图4A中所示的铝CFRP的接触表面相对规则，而另一方面，通过增加再成形深度（RD），接触表面变得更不规则，从而显示出中间侧突起（也如图4所示）5B）。此外，过度的再成形深度会产生较小的接触面（这在图4F中特别明显，G和图5C中报告的较高放大倍数）和凸起高度（例如对于P28RD2接头H16007MM）。正如32报道的那样，这对锁扣接头的力学行为有潜在的不利影响。另外，当H小于CFRP的厚度时，CFRP孔的最后一层不与铝凸起接触，从而促进分层开始并因此降低负载能力。图4在不同加工条件下生产的接头横截面图5通过重塑对铝凸起和CFRP孔之间的接触进行的再成形的影响。这些区域指的是图4中所示的选择咬合关节的力学行为由几个因素决定，包括关节的几何形状，接触弧的长度，凸起高度，颈部厚度和底切尺寸20，关节形成过程中可能发生的损伤36和应变硬化（因为该过程通常在室温下进行）以及孔附近的CFRP的损坏。为了理解改形工具对接头机械性能的影响，在图6中比较了特征尺寸，即底切深度，颈部厚度TN。比较临界接头尺寸，明显的是，根切比颈部厚度小得多，代表了决定接头机械性能的关键参数。图6采用不同的整形改变颈部厚度和底切工具和联合力量。32物质流动如图7所示，在整形步骤中，铝制侧壁部分地与冲头（导向铝）接触，而铝制凸起的底部受限较少（自由铝）。当采用低值RD（例如RD05MM）时，自由铝区的特征在于高度降低因此，如图7A所示，该区域主要受到镦粗，促使铝和周围CFRP之间的咬边和接触压力增加。另一方面，当使用较大的RD值（例如RD10MM和RD20MM）时，会产生不同的物料流量。事实上，在这样的条件下，自由铝区域的较高高度涉及较低的刚度。因此，产生更高的不稳定性，促使铝凸起向内弯曲，这导致底切和凸起高度H减小。在这种条件下产生的材料流动示意于图7B。当使用较高水平的重塑力时，材料流动更加突出然后，当RD05MM时导致底切的增加更多，并且RD10和20MM时底切的降低更高。33关节的机械行为图8报告了由不同工具制成的铆接接头的荷载位移曲线。所有接头都因拉出而失效，这是典型的铆接连接的典型失效模式，其特征在于相对较小的底切。图8中报道的曲线特别在第一条路径中具有共同的行为，这表明关节的刚度受重塑步骤的影响可以忽略不计。另一方面，接头具有不同的剪切强度和吸收能量值，这表明重塑步骤可以有效地改善铆接接头的力学行为。由于拔出失效模式，负荷位移曲线在达到峰值负荷（接头的抗剪强度）之后显示出逐渐减小的负荷，直至完全丧失承载能力。与陡峭的负载减小趋势（接头的脆性行为）相比，这种行为通常是可取的，因为它在片材完全分离之前使更多的能量被接头吸收。图7使用（A）RD的小值和（B）RD的大值的物流的示意图。图8在不同的整形条件下进行的无铆钉接头的载荷位移曲线。图9描绘了最高强度试样（P28RD05）的横截面的演变（用数码相机使用II型试样记录）。在剪切试验的第一阶段（几乎线性路径）中，试样经历适度的旋转（高达1），因为铝板的厚度相对较高。此外，在此阶段，观察到关节横截面的任何显着变化（由于颈部较大）。但是，随着峰值载荷（接头的抗剪强度）的达到，CFRP的损伤更大，导致载荷减少。在此阶段，轴承负荷（由铝凸起产生）在CFRP孔中产生显着的分层和弯曲，如图8（点35）所示。对于上述接头失效模式的讨论，不同的原因可能会由于缺陷和CFRP孔的过度损伤而损害铆接接头的机械性能。实际上，采用过度重塑深度减少或过多材料流动的工具会导致临界条件的过早发生，导致剪切强度和吸收能量的降低。在整形过程中材料流量过大，导致复合孔中的高损伤（主要是屈曲和分层）。在剪切试验过程中，这也导致损坏的CFRP（粘附在铝凸起上）与CFRP孔的其余部分分离，如图10AD所示。确定了另一种类型的缺陷，即中间侧突起。这种缺陷导致高浓度的接触载荷，并在CFRP中产生早期断裂，从而导致承载能力降低（图10EH）。最后，高度减少的工具确定了铝凸起和CFRP孔之间的小接触面。在这种情况下，CFRP的最后一层在剪切试验过程中不会对载荷产生影响，导致接头的机械强度降低。图11比较了在不同加工条件下制造的接头的（A）剪切强度和（B）吸收能量。可以推断，与重塑力相比，第二步中使用的工具的几何形状（重塑）对接头的力学行为有更强的影响。与没有进行整形的接头相比，RD05MM的整形工具使得剪切强度和吸收能量分别增加了32和30，因为图7A所示的变形W（增加在下划）被提升。另一方面，较高的再成形深度（RD1MM和RD2MM）对接头的机械性能具有不利影响，因为图7B所示的变形（铝凸起向内弯曲）被诱发。对于RD05MM，增加再成形力产生较高的强度和节点的吸收能量，而对于RD10MM和RD20MM，较高的再成形力导致FR和W稍微或更高的降低。因此，连接工具的形状（重新成形的深度）确定了材料流动的方向（增加了凹陷凸起的底切或向内弯曲），而再成形力决定了材料流动的大小。图9剪切试验过程中铆接点的横截面（P28RD05）图10不同的断裂发展AD分离和EH侧面突起断裂诱发。图11重塑工具和重塑力对（A）极限剪切力和（B）关节吸收能量的影响。34关节强度将进行和未进行第二次（重新成形）步骤时所进行的铆接接头的承载强度与CFRP复合材料的承载强度进行比较，其特征在于根据ASTMD59610443标准的标准轴承测试39。为此，将接头的最大承载强度计算为极限剪切力（记录在单个搭接剪切试验中）与CFRP抵抗区域AB的比率，如图12所示（由复合材料的高度给出乘以孔径）。图12用于计算接头承载强度的阻力面积AB的示意图因此，为了评估承载强度，测量了所有接头的孔直径。据发现，孔径受到整形条件的轻微影响（所有接头的直径介于65MM和665MM之间）。因此，接头的承载强度遵循与再成型条件下的极限剪切强度类似的趋势。没有进行再成型步骤的接头的特征在于172MPA的承载强度，而由第二步制成的接头的RD05MM和再成形力为288KN的承载强度为227MPA，增加了32。这些值仍然低于导致接头效率的复合材料的承载强度（366MPA），以接头强度与CFRP承载强度之比计算）为62。4结论目前的调查旨在验证机械铆接是否适用于使用可延伸模具生产混合CFRP铝合金接头。通过改变成形工具的几何形状，同时保持销直径和锥角不变，测试了不同几何形状的成型工具。几何和形态分析揭示了冲头的几何形状和损坏对铆接关节的影响。进行单圈剪切试验以评估接头的机械性能。此外，开发了一种新型的由双半接头组成的试样，以便能够观察剪切试验过程中的铆接接头性能。研究的主要结果如下重塑步骤对于改善这种铆接连接的机械性能是可行的事实上，在最佳条件下，与没有重新成型的接头相比，它允许分别增加32和30的剪切强度和吸收能量机械性能的增加是由于底切增加（关节因拉拔而失败）此外，还观察到颈部厚度的显着增加整形工具的几何形状代表一个关键参数实际上，不恰当的工具设计可能会对几何形状产生有害影响，从而影响铆接接头的机械性能。实际上，当使用重塑深度的大值时，第二步涉及铝凸起的向内弯曲，其倾向于减少底切再成形步骤增加了铝和CFRP孔之间的接触。然而，由于屈曲和分层，再成形深度值过高会在CFRP板上造成更高的损伤。确定了关节出现的主要缺陷及其原因。与不进行整形步骤（172MPA）制造的接头相比，在最佳条件（227MPA）下制成的重新成型接头的轴承应力也增加了32。致谢作者要感谢JURADO（意大利的RIVOTORTODIASSISI）提供用于本研究的可扩展模具。作者还要感谢GIUSEPPEORGANTINI先生（DIIIE拉奎拉大学）在实验测试的设置和操作过程中的贡献。这项工作也得到了韩国国家研究基金会（NRF）格兰特资助的韩国政府（MSIP）（NO2012R1A5A1048294）的支持。参考1周晔，范浩，蒋，苟敏，李娜，朱鹏，等。CFRP加固铝梁的试验弯曲性能。COMPOSSTRUCT201411676171。2孟凡，李伟，范浩，周。CFRP加固铝梁非线性理论研究。COMPOSSTRUCT20151315747。3HARRIESKA，PECKAJ，ABRAHAMEJ。使用FRP增强结构钢部分的稳定性。THINWALLEDSTRUCT2009471092101。4CHRISTKES，GIBSONAG，GRIGORIOUK，MOURITZAP。用于轻质结构防火的多层聚合物金属层压板。MATERDES20169734956。5周，蒋，勾敏，李娜，朱丕，王德，等。断裂力学预测拉伸复合材料接头的脱粘强度。MATERDES20146187100。6ANYFANTISKN，TSOUVALISNG。具有厚附着物的CFRP钢粘接接头的荷载和断裂响应第I部分实验。COMPOSSTRUCT2013968507。7MEDLINHKAD。ASM手册第8卷机械测试和评估。ASMINTERNATIONAL2000。8KWEONJH，JUNGJW，KIMTH，CHOIJH，KIMDH。碳复合材料与铝合金接头的组合失效，包括机械固定和粘合剂粘合。COMPOSSTRUCT2006751928。9MATSUZAKIR，SHIBATAM，TODOROKIA改进使用螺栓连接/共固化混合法的GFRP/铝单搭接接头的性能。COMPOSAAPPLSCIMANUF20083915463。10KASHAEVN，VENTZKEV，RIEKEHRS，DORNF，HORSTMANNM评估TI6AL4V/CFRP混合接头的拉伸和疲劳强度的替代接合技术。MATERDES2015817381。11PICKINCG，YOUNGK，TUERSLEYI使用自冲孔铆接将轻质夹层板连接到铝上。MATERDES20072823615。12GOUSHEGIRSM，DOSSANTOSJF，AMANCIOFILHOST。摩擦点铝AA2024/碳纤维增强聚苯硫醚复合单搭接接头的连接微观结构和机械性能。MATERDES201454196206。13LIUFC，LIAOJ，NAKATAK使用摩擦搭接焊连接金属与塑料。MATERDES20145423644。14BALLEF，HUXHOLDS，WAGNERG，EIFLERD通过电阻测量对超声波焊接铝/CFRP接头进行损伤监测。PROCENG2011104338。15JUNGKW，KAWAHITOY，TAKAHASHIM，KATAYAMAS激光直接连接碳纤维增强塑料到镀锌钢。MATERDES20134717988。16ABIBEAB，SNEGOM，DOSSANTOSJF，CANTOLB，AMANCIOFILHOST。关于聚合物金属混合结构的基于摩擦的铆接连接方法的可行性。MATERDES20169263242。17PARKHS，NGUYENTT。开发汽车零部件的红外铆接工艺。IOPCONFSERMATERSCIENG201595012019。18BLAGAL，BANCILAR，DOSSANTOSJF，AMANCIOFILHOST。玻璃纤维增强聚醚酰亚胺复合材料和钛2级混合接头的摩擦铆接。MATERDES2013508259。19SEIDLITZH，ULKEWINTERL，KROLLL用于优化金属/复合组件的新型连接技术。JENG20142014111。20MUCHAJ锁紧连接中锁定形成机理的分析。MATERDES201132494354。21MUCHAJ，WITKOWSKIW单轴剪切试验中双接头类型变化对接头破坏过程影响的实验分析。THINWALLEDSTRUCT2013663949。22COPPIETERSS，LAVAP，HECKERV，COOREMANS，SOLH，HOUTTEPV等人。有限元模型的多轴准静态强度的数值和实验研究。INTJMATERFORM2012643751。23COPPIETERSS，LAVAP，BAESS，SOLH，VANHOUTTEP，DEBRUYNED分析方法预测铆接连接的拉拔强度。薄壁结构2012524252。24CHENC，赵S，HANX，CUIM，FANS用于AL5052和AL6061的铆接高度降低方法的研究。INTJADVMANUFTECHNOL2016。25CHENC，ZHAOS，CUIM，HANX，FANS铆接铆接的两步铆接接头的力学性能。JMATERPROCESSTECHNOL201623736170。26CHENC，ZHAOS，CUIM，HANX，BENN带有和没有铆钉的重塑接头的数值和实验研究。INTJADVMANUFTECHNOL2016。27MUCHAJ固体自冲铆接头的失效力学分析。英语失败肛门2015477788。28MUCHAJ使用实心铆钉对连接过程参数对自冲铆接的影响的数值分析。ARCHCIVILMECHENG2013。29MUCHAJ材料性能和连接工艺参数对用实心铆钉制造的自冲铆接接头行为的影响29。MATERDES20135293246。30何X，刘峰，邢波，
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